Книги по разным темам Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 10 05 Трансформация дефектной структуры и электрофизических свойств кристаллов селенида цинка под влиянием переменного электрического поля 1 й В.П. Мигаль,1 М.А. Ром,2 О.Н. Чугай 1 Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского (ХАИ), 61070 Харьков, Украина 2 Научно-технологический концерн ДИнститут монокристалловУ, НАН Украины, 61070 Харьков, Украина e-mail: kaf505@xai.edu.ua (Поступило в Редакцию 11 февраля 2003 г.) Исследованы изменения совершенства структуры и электрофизических свойств кристаллов ZnSe под воздействием сильного переменного электрического поля промышленной частоты. Установлено, что такое воздействие на кристалл приводит к трансформации дефектной структуры и диэлектрических параметров.

Последние приобретают иную зависимость от температуры и длины волны фотовозбуждения. Наблюдаемые изменения обусловлены процессами ионной проводимости, связанными с локальными аномалиями электрической и упругой подсистем кристалла.

Введение ния (220) и (440), которые не уширяются под влиянием дефектов упаковки (ДУ), так и рефлексытипа (111), чувИсследование влияния внешних воздействий на свой- ствительные к ДУ при условии, что h + k + l = 3N 1, ства твердых тел представляет несомненный интерес где N = 0, 1, 2,... [1].

как с точки зрения понимания происходящих при этом Если кристалл ZnSe представляет собой полисинтепроцессов, выяснения механизмов наблюдаемых явле- тический двойник, то на его стереографической проекний, так и с точки зрения управления физическими ции (110) появятся следы двух дополнительных плоссвойствами. Несмотря на многочисленные исследования костей (111). Наклон образца и его вращение вокруг электрофизических свойств различных материалов, во- нормали к поверхности позволяют получить КДО всех просы, связанные с влиянием сильных электрических четырех рефлексов (111). По их относительной интенполей на структуру и свойства реальных кристаллов, сивности можно судить о концентрации индивидуумов относятся к малоизученным; во всяком случае авто- той или иной ориентации, в то время как интегральная рам неизвестны работы, относящиеся к кристаллам ширина КДО = IR/Im (IR Ч интегральная интенсивтипа AIIBVI. Настоящее исследование является попыткой ность КДО, Im Ч интенсивность в максимуме) отражает частично восполнить этот пробел.

степень разориентации мозаичных блоков и концентрацию ДУ. Использование описанной в [2] геометрии съемки, которая заключается во вращении кристалла воОбразцы и методы исследования круг вектора дифракции в асимметричном брэгговском случае, позволяет варьировать толщину анализируемоОбразцами для исследования служили пластины толго слоя. При углах скольжения рентгеновского пучка щиной 5... 6 mm, выколотые по плоскостям спайно 1 освещается значительная поверхность образца, сти (110) из массивных кристаллов ZnSe. Последние что позволяет получить аналог топограммы двойниковой были выращены из расплава под высоким давлениструктуры, применяя сканирование детектора излучения ем аргона. Площадь поверхности сколов составляла с узкой щелью.

500... 700 mm2. К этим поверхностям в течение 8 h прикладывалось переменное электрическое поле (ПЭП) промышленной частоты, напряженность которого достиПолученные результаты гала 4 104 V/cm.

Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла Рентгеновские исследования показали, что под дейдиэлектрических потерь tg измерялись в области ча- ствием ПЭП происходит ухудшение совершенства стот f = 102... 104 Hz с помощью стандартных мостов структуры образцов ZnSe. Это проявляется в увеличепеременного тока P571 и P589. нии величин IR и в среднем по всем рефлексам (111).

Исследование совершенства структуры проводилось В отдельных случаях величина IR возрастает на 60%, методами рентгенографии. Съемка кривых дифракци- а Ч на 160% по сравнению с исходными значеонного отражения (КДО) осуществлялась в CuK1-из- ниями. Зависимости IR() и (), характеризующие лучении. Использовались как симметричные отраже- распределение этих величин по глубине анализируемого Трансформация дефектной структуры и электрофизических свойств кристаллов селенида... ность дугообразных и линейных участков указанной диаграммы, а также соответствующие их границам длины волн (рис. 6).

Дискуссия Все образцы, подвергнутые воздействию переменного электрического поля, изначально характеризовались высокой концентрацией двойниковых границ, плотностью дислокаций и дефектов упаковки, которые существенно уширяют КДО как на симметричных (220), так и на асимметричных (111) рефлексах. Перечисленные Рис. 1. Зависимость параметров и IR (без поправок дефекты образовались в процессе роста и последующена геометрическое размытие первичного пучка) КДО от угла го остывания кристаллического слитка. Ведущая роль скольжения первичного пучка к поверхности. 1, 3 и 2, 4 полув этом процессе, по всей видимости, принадлежала чены в исходном состоянии кристалла и после действия ПЭП соответственно. ZnSe (110), рефлекс (111), CuK1-излучение. термоупругим напряжениям, неоднородное распределение которых при остывании породило неоднородное поле остаточных механических напряжений. По ряду причин, в том числе вследствие пьезоэлектрического слоя, показаны на рис. 1. Однако если сравнивать иные эффекта, в кристалле также возникли крупномасштабрефлексы (111), то изменения IR и носят немононые флуктуации электрического потенциала (внутрентонный характер, что позволяет говорить о конкуринее электрическое поле). Заметим, что из-за большой рующих процессах рождения и аннигиляции дефектов ширины запрещенной зоны (Eg = 2.6eV) эти флуккак в приповерхностном слое 1... 5 m, так и в слоях туации не экранируются свободными носителями при 20... 30 m, доступных для анализа в Cu-излучении.

температуре опыта.

Наряду с появлением новых ДУ 2-сканирование позвоДиссипация энергии ПЭП на пределе электрической лило обнаружить миграцию двойниковых прослоек, копрочности сопровождается целым рядом взаимообусловторая проявляется в смещении пиков и перераспределеленных процессов, связанных с переносом заряда и вении интенсивности отражения отдельных индивидуумов, щества (ионный ток). Эти процессы приводят к увеличеобразующих полисинтетический двойник, как показано нию общего беспорядка в системе, включая возрастание на рис. 2.

дефектности кристалла. Поскольку дефекты структуры Трансформации дефектной структуры исследованных оказывают определяющее влияние на указанные прокристаллов под влиянием ПЭП сопутствуют изменения цессы, то и количественные ДпоследствияУ воздействия их электрофизических свойств: возрастают низкочастотПЭП (остаточные изменения упругой и электрической ные значения (до 50%) и tg (до 120%). При этом подсистем) должны отличаться для разных образцов.

изменяется ход температурной завиcимости данных паОднако общим для исследованных образцов является раметров (рис. 3), но сохраняется слабовыраженный существенное влияние на процессы локальных аномалий характер их частотной зависимости в указанном выше электрической и упругой подсистем.

диапазоне частот.

Так, в случае миграции межузельных ионов частота В результате воздействия ПЭП происходят изменения перескоков иона из одного положения равновесия в друфотоэлектрических свойств кристаллов селенида цинка, гое дается выражением [4] охватывающие всю спектральную область фоточувствительности. Как правило, наблюдается смещение не толь = exp(- g/kT), ко собственного (m1 = 0.470... 0.485 m), но и примесного (m2 = 0.535... 0.575 m) максимумов спек- где Ч частота колебаний иона, g Ч свободная энертральной зависимости диэлектрической проницаемости гия активации по Гиббсу, k Ч постоянная Больцмана, и коэффициента диэлектричеких потерь = tg T Ч абсолютная температура.

(рис. 4 и 5 соответственно). Однако более отчетливо Существующие вблизи неоднородности упругое и особенности фотодиэлектрического эффекта в иссле- электрическое поля, оказывая влияние на g, могут дуемом образце обнаруживаются в зависимостях () обусловить увеличение частоты перескока иона в опреи (), представленных в виде диаграммы в ком- деленном направлении. Результатом этого явится пеплексной плоскости [3]. Отдельные дугообразные или ремещение иона (возможно, посредством нескольких линейные участки диаграммы соответствуют группам прыжков) в положение, характеризуемое значительно релаксаторов, определяемым конфигурацией внутренних большим значением g в любом из направлений. По су электрических полей и распределением неравновесных ществу речь идет о захвате иона дефектом-ловушкой, носителей по объему кристалла. Как показали наши приводящем к изменению конфигурации последнего.

опыты, под влиянием ПЭП изменилась последователь- Заметим, что все иные физические процессы, связанные Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 136 В.П. Мигаль, М.А. Ром, О.Н. Чугай Рис. 2. Дифракционная картина двойников в ZnSe (110), рефлексы (111). Кристалл неподвижен, 1, сканирование детектором излучения (шкала углов 2). Системы прослоек a, c и b, d в исходном состоянии кристалла и после действия ПЭП соответственно. -отсчет углов по шкале приставки ГП-14, CuK1-излучение.

с перемещением ионов, будь то диффузия в условиях позволил выявить криволинейные (т. е. ступенчатые) влияния поля упругих напряжений [5], электрического выходы двойниковых границ на поверхность.

поля [6] или передача энергии по эстафетному механиз- Различие дефектной структуры, внутренних электриму [7], тоже обусловливают трансформацию дефектной ческого и упругого полей в кристаллах селенида цинка структуры. Перемещение двойниковых границ не по- придает, как уже отмечалось, индивидуальный характер кажется маловероятным, если отказаться от представ- изменениям их свойств под влиянием ПЭП. При этом лений об атомарно гладкой поверхности, разделяющей общим для всех образцов является увеличение коэфиндивидуумы. Действительно, косой шлиф к плоско- фициента диэлектрических потерь и соответствнно бысти (111), перпендикулярной оси двойникования [111], строты диссипации энергии переменного электрического Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Трансформация дефектной структуры и электрофизических свойств кристаллов селенида... поля. Этот факт указывает на связь трансформации дефектной структуры с изменением электрофизических свойств, поскольку представляется естественным, что в увеличением структурного беспорядка будут возрастать и диэлектрические потери в кристалле. Рост диэлектрической проницаемости, более выраженный ход температурной зависимости коэффициента диэлектрических потерь, а также изменения спектральных зависимостей этих параметров отражают установившееся после внешнего воздействия новое состояние дефектной Рис. 5. Спектральная зависимость tg в исходном состоянии кристалла и после действия ПЭП (1 и 2 соответственно).

f = 1 kHz.

Рис. 3. Температурные зависимости и tg в исходном состоянии кристалла и после действия ПЭП (1, 2 и 3, соответственно). f = 1 kHz.

Рис. 6. Спектральные зависимости и в комплексной плоскости. 1 Ч до приложения ПЭП, 2 Ч после. f = 1 kHz.

Длина световых волн: Ч 465, Ч 470, Ч 475, Ч 490, Ч 510, Ч 530, Ч 570 и Х Ч 590 nm.

структуры и внутренних полей. С этим состоянием связано возрастание числа уровней в запрещенной зоне кристалла и изменение энергии взаимодействия локализованных состояний. С осторожностью можно говорить, что новому состоянию соответствует иной фононный спектр.

Выводы Воздействие сильного переменного электрического Рис. 4. Спектральная зависимость в исходном состоянии поля на кристаллы ZnSe приводит к трансформации декристалла и после действия ПЭП (1 и 2 соответственно).

f = 1 kHz. фектной структуры и, как следствие, к изменению широЖурнал технической физики, 2003, том 73, вып. 138 В.П. Мигаль, М.А. Ром, О.Н. Чугай кого спектра их физических свойств. Но именно участие разнообразных дефектов в трансформации структурного совершенства существенно затрудняет установление доминирующего механизма этого процесса. Остается также открытым важный вопрос о возможности завершения изменений дефектной структуры, поскольку в ряде опытов приложенное воздействие вызывало образование поверхностной проводящей пленки, которая, экранируя поле в объеме кристалла, прерывала преобразование его дефектной структуры.

Список литературы [1] Вишняков Я.Д. Дефекты упаковки в кристаллической структуре. М.: Металлургия, 1970. 216 с.

[2] Rom M.A., Chukanova I.N. // Functional Materials. 1999. Vol. 6.

№5. P. 915Ц919.

[3] Загоруйко Ю.А., Комарь В.К., Мигаль В.П. и др. // ФТП.

1995. Т. 29. № 6. С. 1065Ц1069.

[4] Лидьярд А. Ионная проводимость кристаллов. М.: ИЛ, 1962. 222 с.

[5] Кирсанов В.В., Кислицын С.Б., Кислицына Е.М. // ЖТФ.

1988. Т. 58. № 7. С. 1440Ц1442.

[6] Кащеев В.А., Полуэктов П.П. //ЖТФ. 1991. Т. 61. № 1.

С. 18Ц21.

[7] Дамаск А., Динс Дж. Точечные дефекты в металлах. М.:

Мир, 1966. 291 с.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып.    Книги по разным темам